高分子材料功能材料

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1、第四部分 功能材料,1986年，我国制定了高技术发展计划纲要，被评选列入的七个技术群是生物技术、信息技术、激光技术、航天技术、自动化技术、新能源技术和新材料技术。,一般认为，新材料有晶须材料、非晶材料、超塑性合金、形状记忆材料、功能陶瓷、功能有机材料、超导材料、碳纤维、能量转换材料等。 新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。,功能材料被誉为2l世纪人类文明的重要支柱,随着时代的发展，人类将进入一个信息时代。为了解决生产高速发展以及由此所产生的能源、环境等一系列的问题，更需要用高科技的方法和手段来生产新型的、功能性的产品，以获得各种优良的综合性能。近年来新型功能材料层出不穷，得到了突破性的

2、进展。,第一章 功能材料概论,日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义。,近10年来，功能材料成为材料科学和工程领域中最为活跃的部分。每年以5以上的速度增长，相当于每年有1.25万种新材料问世。未来世界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。,一、功能材料的概念 功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。 在国外，常将这类材料称为功能材料(Functional Materials)、特种材料(Speciality Materia

3、ls)或精细材料(Fine Materials)。,第一节 功能材料的概念与分类,功能材料涉及面较广，具体包括光、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能等。 这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。,材料的特定的功能与材料的特定结构是相联系的。如对于导电聚合物来说，它一般具有长链共轭双键；金属结构中由于弹性马氏体相变能产生记忆效应，因此出现了形状记忆合金；压电陶瓷晶体必须有极轴等。,功能材料是一门新的学科，目前对它进行严格的定义尚有一定的难度，就像许多化学变化中存在着物理现象、高级运动中总是伴随着低级运动一样，功能材料既遵循材料的一般特性和变化规律又具有

4、其自身的特点。因此可认为是传统材料的更高级的运动形式。,二、功能材料的分类 随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方法。从功能的不同考虑，可将功能材料分为以下四类。,(1)力学功能 主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如高结晶材料、超高强材料等。,(2)化学功能 分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物； 反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂； 生物功能材料：如固定化菌，生物反应器等。,（3）物理化学功能 电学功能材料：如超导体，导电高分子等； 光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等； 能量转换材料：如压电材料、光电材料。,

5、(4)生物化学功能 医用功能材料：人工脏器用材料如人工肾、人工心肺，可降解的医用缝合线、骨钉、骨板等； 功能性药物：如缓释性高分子，药物活性高分子，高分子农药等； 生物降解材料,下图为材料显示功能的示意图。,第二节 功能设计的原理和方法,材料的功能显示过程是指向材料输入某种能量，经过材料的传输或转换等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。,功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和二次功能材料。,当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用。材料的这种功能称为一次功能。 以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料。,、一次功能,一次功能主要有下面的八种

6、。 力学功能。如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、恒弹性、高弹性、振动性和防震性。 声功能。如隔音性、吸音性。 热功能。如传热性、隔热性、吸热性和蓄热性等。 电功能。如导电性、超导性、绝缘性和电阻等。,磁功能。如硬磁性、软磁性、半硬磁性等。 光功能。如遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏振光性、分光性、聚光性等。 化学功能。如吸附作用、气体吸收性、催化作用、生物化学反应、酶反应等。 其他功能。如放射特性、电磁波特性等。,当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量的转换部件作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能。有人认为这种材料才是真正的功能材料。,、

7、二次功能,二次功能按能量的转换系统可分为如下四类。,光能与其他形式能量的转换； 电能与其他形式能量的转换； 磁能与其他形式能量的转换； 机械能与其他形式能量的转换。,如光合成反应、光分解反应、光化反应、光致抗蚀、化学发光，感光反应，光致伸缩，光生伏特效应和光导电效应。,光能与其他形式能量的转换,如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应、场致发光效应、电化学效应和电光效应等。,电能与其他形式能量的转换,磁能与其他形式能量的转换,如光磁效应、热磁效应、磁冷冻效应和磁性转变效应等。,机械能与其他形式能量的转换。,如形状记忆效应、热弹性效应、机械化学效应、压电效应、电致伸缩、光压效应、声光效应、光

8、弹性效应和磁致伸缩效应等。,按材料种类分，功能材料还可分为：金属功能材料、无机非金属功能材料和有机功能材料。,无论哪种功能材料，其能量传递过程或者能量转换形式所涉及的微观过程都与固体物理和固体化学相联系。正是这两门基础科学为新兴学科功能材料科学的发展奠定了基础，从而也推动了功能材料的研究和应用。它们把功能材料推进到功能设计的时代。,所谓功能设计，就是赋予材料以一次功能或二次功能特性的科学方法。有人认为21世纪将逐渐实现按需设计材料。,为了避免稳定化时PAN纤维因过热而导致链断裂，必须用低的加热速率 在正常的稳定化温度下并没用完全达到稳定化的目的，直到300400才能较好地实现了稳定化，此时纤维

9、中发生芳环化和分子内交联。,芳环化和分子内交联,热稳定化的PAN纤维结构,第一阶段：室温到600，加热速率应较低，以便使质量转移较慢。 因为在较快的加热速率下质量转移速率加快，而气体等副产物的扩散则形成孔洞形式的不规则表面。此区段非常关键，它包含了大多数化学反应和可挥发产物的释放。,第二阶段：加热区在600到1500，加热速率可以较快 因为放热反应和副产物挥发的破坏性降低。随炭化过程热处理温度的升高，纤维的强度和模量逐渐增加，直到1500时纤维的强度最高。 当热处理温度超过1500时，纤维的强度降低，而模量仍缓慢增加。炭化时为避免纤维高温氧化，惰性气氛是必须的。,随着炭化过程的完成，纤维已经具

10、有小结晶，需来用高于1500热处理温度，通过结晶的增长和结构排列得到理想的结构。 如果在情性气氛中于张力下加热到2500至3000，即可得到结晶较完整的石墨结构的碳纤维，也称石墨纤维。,形状记忆聚氨酯与智能型防水透湿织物,第二章 液晶材料结构性能与应用,什么是高分子液晶呢？ 高分子液晶是一种性能介于液体和晶体之间的一种有机高分子材料，它既有液体的流动性，又有晶体结构排列的有序性。 低温下它是晶体结构，高温时则变为液体，在中间温度则以液晶形态存在。,高分子液晶的结构,高分子液晶是由刚性部分和柔性部分组成。 从外形上看，刚性部分通常呈现近似棒状或片状的形态，因为这样有利于分子的有序堆积。,刚性部分

11、通常由两个苯环或脂肪环或芳香杂环通过一个刚性连接单元连接组成。这个刚性连接单元的作用是阻止两个环的旋转。 如反式偶氮基NN 反式乙烯基CC,高分子液晶的结构,高分子液晶的结构,在刚性部分的端部还有一个柔软，易弯曲的基团R,按单体结构分类的高分子液晶,高分子液晶的特性,取向方向的高拉伸强度和高模量 最突出的特点是在外力场中容易发生分子链取向,在取向方向上呈现高拉伸强度和高模量。 如Kevlar 的比强度和比模量均达到钢的10倍。,耐热性突出 由于高分子液晶的刚性部分大多由芳环构成, 其耐性相对比较突出。 如：Xydar 的熔点为421,空气中的分解温度达 到560,其热变形温度也可达350,明显

12、高于绝大多数塑料。,高分子液晶的特性,阻燃性优异 高分子液晶分子链由大量芳香环所构成,除了 含有酰肼键的纤维外,都特别难以燃烧。 如：Kevlar 在火焰中有很好的尺寸稳定性,若 在其中添加少量磷等,高分子液晶的阻燃性能更好。,高分子液晶的特性,电性能和成型加工性优异 高分子液晶的绝缘强度高和介电常数低, 而且两者都很少随温度的变化而变化,并导 热和导电性能低。 由于分子链中柔性部分的存在，其流动 性能好,成型压力低,因此可用普通的塑料加 工设备来注射或挤出成型,所得成品的尺寸 很精确。,高分子液晶的特性,高分子液晶的应用,高强度高模量材料 在外力场容易发生分子链取向，在取向方向 上可以得到高

13、强度高模量。 如：kelvar纤维可在-45200使用。阿 波罗登月飞船软着陆降落伞带就是用kevlar29 制备的。kevlar纤维还可用于防弹背心,飞机、 火箭外壳材料和雷达天线罩等。,液晶高分子在信息储存方面的应用 带有信息的激光束照射液晶存储介质时，局 部温度升高，液晶聚合物熔融成各向同性的液 体，从而失去有序度。激光束消失以后，又凝 结成为不透光的固体，信号被记录。 液晶高分子用于存储显示寿命长、对比度 高、存储可靠、擦除方便,因此有极为广阔的发 展前景。,高分子液晶的应用,精密温度指示材料 向列型液晶和胆甾型液晶的混合物呈平行 并顺次扭转的螺旋结构，而且其螺距随温度变 化而发生显著

14、变化。 被测物体的表面温度若有变化，液晶分子 排列的螺距即发生变化，偏振光的旋转角度也 随之发生变化，因而返回光的强度也会发生变 化。 人们利用此现象制造出微温传感器。,高分子液晶的应用,奇幻冰晶,微观花园,高分子液晶显示材料 目前小分子液晶是主要的显示材料。由 于高分子的粘度比小分子液晶大得多,它的 工作温度，响应时间都不及小分子液晶。 但是液晶高分子在电场作用下从无序透 明态到有序不透明态的性质使其理论上也 可用于显示器件，但目前尚未进入实际应 用阶段。,高分子液晶的应用,高分子液晶的发展前景,液晶学已成为一门新兴科学技术，广泛应用于当代各个工业部门。而且由于物质的液晶态结构普遍存在于生物

15、体中，液晶结构及变化与生命现象之间的关系，也正在引起人们的重视。 英国著名生物学家指出:“生命系统实际上就是液晶,更精确地说,液晶态在活的细胞中无疑是存在的”,细胞膜中的磷脂可形成溶致型液晶; 构成生命的基础物质DNA 和RNA 属于生物性胆甾液晶,它们的螺旋结构表现为生物分子构造中的共同特征; 植物中起光合作用的叶绿素也表现液晶的特性; 大多数生物体组织,如脑、神经、肌肉、血液等和生命现象关系密切的主要组织是由溶致性大分子液晶构成的。,高分子液晶的发展前景,随着科学技术的发展,人们将逐渐掌握蛋白质、核酸、酶和类脂化合物的合成,并了解生物体活动中使这些大分子发生结构相变的环境,即形成液晶的环境

16、,从而合成或“加工”出各种生物体组织,进而能够得到各种人造器官、人造血液,为人类服务。 另一方面,人们可以细胞为蓝本,设计并制造出具有自检测、自判断、自结论和自指令的新型“智能”材料,应用于人类生命活动中。,高分子液晶的发展前景,可见,由于高分子液晶作为一种较新的高分子材料,人们对它的认识还不足,但可以肯定在不远的将来,高分子液晶的应用会愈来愈广泛,对人类的生存和发展做出新的贡献。,高分子液晶的发展前景,热致性高分子液晶 主链型热致性高分子液晶中，最典型最重要 的代表是聚酯液晶。 1963年，卡布伦敦公司（Carborundum Co） 首先成功地制备了对羟基甲酸的均聚物（PHB）。但由于 PHB的熔融温度很高（600），在熔融之前，分子链已 开始降解。所以并没有什么实用价值。 70年代中，美国柯达公司的杰克逊(Jackson)等人将对羟基苯甲酸与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）共聚，成功获得了热致性高分子液晶。,从结构上看，PET